表面分析技术

538 2 0.41 aE 对于纯元素： E 2170 对于无机化合物： 0.72 aE 2 E 49 对于有机化合物： 0.11 E 2 E
。的单位为nm。
2018/12/4
其中，a为单原子层厚度（nm），E为以费米能级为零点的电子能量（eV）
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
6. 断裂表面键，诱导脱附。
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Fig. 3. 2
Fig. 3. 3
I.
弹性散射，电子本身不损失能量；
II. 非弹性散射，振动吸收；价带跃迁； III. 非弹性散射，Auger电子； IV. 二次电子和特征X－射线。
2. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis,
John Wiley and Sons, Inc., 1983.
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
表面检测的技术要求
灵敏的检测技术，因为一般表面原子占整个晶体的比例为 10 － 7 左右，几乎所有的检测技术要用到信号放大器及倍增 管，以及光子或电子计数器； 检测的技术是表面灵敏的，因为要研究表面的理化性能； 要检测信号，必须要有信号载体，我们称这种信号载体为 探针； 样品表面可控制的，即结构和化学组成等可以控制。
2018/12/4
Source：高本辉，崔素言
Source：华中一
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
电子自由程：电子与晶体中的原子核产生两次连续碰撞之间所走过的 平均路程称为电子自由程，。 电子自由程与电子的本身能量有很大关系，如图 3.4 。在 30 ～ 100 eV 以内，其值达到最小，约为0.1 ～ 0.8 nm = 1 ～ 8 Å，即大约三个原子 层左右。LEED就是利用这个能量段来工作的。对于实际的电子平均自由程 ，不但与电子自身能量有关，还与材料有关，Seah等人总结了大量的数据 ，得到经验计算公式如下：
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
表面分子技术概况
作为信号载体的探针，基本包括：电子，离子，光子和中性粒子，此外还 有热和场，参见图3.1。
以探针接触表面时，必然会发生探针与表面的相互作用。
电子
离子
中性粒子
固体材料
光子
热
Fig. 3. 1 2018/12/4
1. 任何温度下都能产生场致发射电子的各能级，电子可以“透过”
能垒发射； 2. 在温度不为零的情况下产生场致发射电子的能级，称为热场致发
射。发射随温度增高而增强；
3. 热发射按肖特基效应增长的能级，即电场使能垒降低； 4. E＝0时产生热发射的各能级。该能级的电子在高温弱电场下“爬
越”能垒发射。
2018/12/4 北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Ag
538 2 0.41 aE E 5A
o
Fig. 3.4
2018/12/4
Source：华中一
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
离子与固体表面作用
1. 弹性散射，离子本身不损失能量，前散射和背散射； 2. 非弹性散射，离子损失能量，前散射和背散射； 3. 离子注入，钻入样品内； 4. 轰击样品，产生表面剥离； 5. 俘获、再释和溅射脱附。
固体表面物理化学
表面分析技术概况
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
主要参考书
1. D. P. Woodruff and T. A. Delchar, Modern Techniques of Surface Science, Cambridge, 1986.
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
场与固体表面作用
探针诱导表面电子发射，主要是以不同的形式给固体内的电子以能 量，使电子克服表面的能垒而逸出。根据肖特基理论，外加电场可以降 低能垒，有助电子发射。 在强电场作用下，因存在量子力学的隧道效应，在固体不加热的情 况下也能出现显著的电子冷发射，这称为“场致电子发射”。
场
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
1. 弹性散射，电子本身不损失能量； 2. 非弹性散射，电子传递或吸收样品能量； 3. 注入，钻入样品内； 4. 衍射，由于其波长与样品晶格常数接近，从而满足布 拉格方程或劳埃关系，产生衍射花样；
5. 轰击样品，产生新的二次电子和X－射线；
固体表面物理化学
电场与电子能级
Fig. 3.5
2018/12/4
Source：高本辉，崔素言
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
热与固体Biblioteka Baidu面作用
高温度的表面，会发射正负离子：
1. 金属本身原子的发射：当接近熔点时，不但有原子蒸
发，还有离子蒸发；
2. 金属表面杂质：如碱金属等，在高温下会以离子形式
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
光子与固体表面作用
当光子能量小于1兆电子伏特的情况下，光对物质的 作用主要是光电效应和康普顿效应：当光子将能量全部交 给一个电子，使其脱离原子而运动，这是光电效应；光子 与电子产生碰撞，将一部分能量交给电子而散射，碰撞射 出的电子称为康普顿电子，这就是康普顿效应。 光子与表面作用，有如下过程： 1. 光反射； 2. 光吸收；
3. 光衍射；
4. 光激发，产生光电子； 5. 光诱导表面分子脱附和反应。
2018/12/4 北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
中性粒子与固体表面作用
1. 粒子弹性碰撞； 2. 粒子非弹性碰撞； 3. 粒子表面吸附； 4. 粒子表面迁移；
5. 粒子表面反应。
2018/12/4
发射；
3. 表面电离：当气体分子撞击灼热表面时，一部分以分
子或原子状态飞离表面，另一部分以正负离子的形式 飞离，这叫表面电离。